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科學(xué)家們?cè)陂_發(fā)超寬帶白光激光源方面取得了長足進(jìn)步，這些激光源覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的寬光譜。這些激光器可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如大規(guī)模成像、飛秒化學(xué)、電信、激光光譜學(xué)、傳感和超快科學(xué)。然而，這種追求面臨著挑戰(zhàn)，尤其是在選擇合適的非線性介質(zhì)方面。傳統(tǒng)的固體材料雖然效率高，但在高功率峰值條件下容易造成光損傷。氣體介質(zhì)雖然不易損壞，但普遍存在效率低和技術(shù)復(fù)雜的問題。

華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授的研究團(tuán)隊(duì)最近采取了一項(xiàng)非常規(guī)舉措，將水作為非線性介質(zhì)。水資源豐富，價(jià)格低廉，即使在高功率激光的作用下，水也不會(huì)受到光學(xué)損傷。據(jù)《Advanced Photonics Nexus》報(bào)道，水誘導(dǎo)的光譜展寬涉及增強(qiáng)的自相位調(diào)制和受激拉曼散射，從而產(chǎn)生具有435nm 10 dB帶寬的超連續(xù)白光激光，覆蓋令人印象深刻的478-913 nm范圍。

圖 1：(a) 非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。(b) 典型 CPPLN 結(jié)構(gòu)樣品表面的顯微圖像。(c) CPPLN 樣品的高倍視圖。(d) 制作的 CPPLN 樣品。(e) LN 晶體中 SHG 過程的相位失配曲線與 CPPLN 結(jié)構(gòu)的傅立葉變換光譜。(f) 水-CPPLN 模塊在 800 nm Ti:sapphire 激光照射下的照片。(g) 水-CPPLN 模塊發(fā)出的白光光斑。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

在進(jìn)一步創(chuàng)新的過程中，研究人員將水與啁啾周期極化鈮酸鋰（CPPLN）晶體結(jié)合在一起，這種晶體以其強(qiáng)大的二階非線性功率而著稱。這種結(jié)合不僅擴(kuò)大了超連續(xù)白光激光的頻率范圍，還使其輸出光譜更加平坦。

圖 2：不同輸入脈沖能量下的水后的歸一化超連續(xù)譜。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

據(jù)該論文的資深作者李志遠(yuǎn)教授介紹：級(jí)聯(lián)水-CPPLN模塊為實(shí)現(xiàn)脈沖能量強(qiáng)、光譜平坦度高、帶寬超寬的“三高”白光激光器提供了一條長壽命、高穩(wěn)定、低成本的技術(shù)路線。

這項(xiàng)水-CPPLN 協(xié)作成果前景廣闊。這種超寬帶超連續(xù)光源具有0.6 mJ的脈沖能量和超過一個(gè)倍頻程(413-907 nm)的10 dB帶寬，在超快光譜學(xué)和高光譜成像方面具有潛力。

圖 3：水-CPPLN 模塊在不同輸入脈沖能量和入射光斑直徑下發(fā)出的歸一化超連續(xù)譜。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

圖4：(a)模擬不同輸入能量下水通過SPM的輸出光譜。(b)模擬了4 mJ泵浦脈沖能量下40 mm長度水體中不同位置的光譜演化。(c) 4 mJ脈沖能量泵浦作用下水中超連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)的線性擬合過程。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

李志遠(yuǎn)教授說：它在極端光譜帶寬上以高信噪比提供了物理、化學(xué)和生物過程的高分辨率。它為制造具有強(qiáng)脈沖能量、高光譜平坦度和超寬帶寬的長壽命、高穩(wěn)定性和廉價(jià)白激光器開辟了一條有效途徑，為科學(xué)研究和應(yīng)用的新可能性鋪平了道路。

參考文獻(xiàn)：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

DOI: 10.1117/1.APN.3.1.016008